翟天佑/周兴Matter：二维三元各向异性硫锡铅矿（PbSnS2）

来源：纳米人

第一作者：舒照伟、彭乔俊、黄浦

通讯作者：周兴、翟天佑

通讯单位：华中科技大学

研究亮点：

1. 分子筛和盐共辅助制备二维PbSnS2纳米片（最薄~2.4 nm）。

2. 高度各向异性的电子器件，例如空穴迁移率：μarmchair/μzigzag= 1.78。

3. 巨大的各向异性光电子学，例如光响应：Rzigzag/armchair=1.25。

二维材料

二维材料由于其可调的能带结构、强光物质相互作用、量子限域效应等特性而在下一代电子和光电子领域中具有重要应用前景。然而目前研究最多的二维材料大多基于一元或二元材料体系，这阻碍了二维材料应用的进一步研究。最近，二维三元材料作为二维材料家族的新成员，其可变的化学计量比可以影响能带结构、声子振动、晶格对称和载流子输运，这对电子学、热电子学和光电子学具有重要意义。 

三元硫锡铅矿

三元硫锡铅矿（PbSnS2）是层状p型半导体，由Pb或Sn原子的与S原子键合并形成类似于黑磷的褶皱结构。PbSnS2具有良好的吸光效率，有望用于光伏电池。它还具有较低的晶格热导率，因此也是良好的热电材料。此外，具有更低对称性的斜方结构可能产生新颖的物理特性，例如各向异性的电学和光学特性。但是，几乎没有关于超薄PbSnS2结构的报道，更不用说它们的光电特性了。由于复杂的前驱物和反应过程以及反应中可能存在的复杂物相（例如PbS或SnS），使PbSnS2的合成难以控制。因此，迫切需要一种有效的方法来实现超薄的PbSnS2结构的生长。 

成果简介

近日，华中科技大学翟天佑/周兴课题组报道了一种新型的二维三元材料（PbSnS2）的可控合成及其各向异性光电性能研究。

图1. 二维PbSnS2纳米片的合成策略及其表征。

要点1：超薄二维PbSnS2制备

在该工作中，作者采用分子筛和盐共同辅助的气相沉积法实现了超薄二维PbSnS2的可控制备，得到的纳米片最薄可至2.4 nm。 

要点2：PbSnS2纳米片的各向异性光学性质

通过偏振拉曼光谱的研究发现，PbSnS2纳米片分别在平行和垂直模式下具有明显的周期变化拉曼光谱现象，说明其具有显著的各向异性光学性质。

图2. PbSnS2纳米片的偏振拉曼光谱。 

要点3：PbSnS2纳米片的各向异性光电性质

鉴于其显著的各向异性光学性质，作者通过构筑多对电极对其各向异性光电性质进行研究（图3）。图3B为不同对电极方向的电学特性，发现扶手椅和之字形方向的电导率相差最大可达1.77。进而得到其扶手椅和之字形方向的载流子迁移率之比可达1.78，说明其扶手椅方向的空穴迁移率要远大于其之字形方向的迁移率。图3C表明在不同功率光照下PbSnS2纳米片都显示出明显的各向异性光电响应。 

图3D和E的时间响应光电流曲线都表明PbSnS2纳米片在扶手椅和之字形方向同时具有良好的循环稳定性和快速响应（扶手椅方向响应恢复速度分别为：72 ms和8 ms；之字形方向响应恢复速度分别为：76 ms和8 ms），说明不同晶格方向的响应速度差别不大。但是作者发现PbSnS2纳米片在扶手椅和之字形方向的光响应度具有显著差异Rzigzag/armchair=1.25，图3F中的各向异性的光响应功率银子也能辅助说明之字形方向的光电转换效率高于扶手椅方向，但是其具体各向异性的响应机制还有待进一步研究。

图3. PbSnS2纳米片的各向异性光电性质。

小结

综上所述，作者采用分子筛和盐共辅助的化学气相沉积法实现了二维PbSnS2纳米片（最薄~2.4 nm）的可控制备。并对其构筑面内多对电极器件研究其各向异性的光电性质。发现其具有高度各向异性的空穴迁移率：μarmchair /μzigzag= 1.78以及巨大的各向异性光响应：Rzigzag/armchair= 1.25，说明其在偏振探测器领域具有重要应用前景。

参考文献

Shu, Zhaowei, et al.Growth of Ultrathin Ternary Teallite (PbSnS2) Flakes for HighlyAnisotropic Optoelectronics. Matter (2020).

DOI:10.1016/j.matt.2020.01.013

https://www.sciencedirect.com